領袖觀點｜主動式動力輔助傳動模組之發展

電機馬達與傳動齒輪的組合是工業應用上常見的動力傳動模組，馬達作為系統的動力單元，係藉由磁能轉換機制，將電能轉換為動力系統所需的機械能；齒輪則是機械動能的調節單元，用以調配馬達輸出端的機械能轉速(ω)與轉矩(T)，使動力驅動源能有效輸出至負載單元作功。一般應用上，考量馬達工作於高轉速區會具有較佳的機電轉換效率，而負載端相對會操作於低轉速區，因此馬達動力單元一般會結合變速齒輪箱設計，成為一串接式的動力傳動模組，用於減速/增矩的應用場合，如圖1所示[1][2]。 

圖1 傳統馬達與齒輪組之組成架構[1][2]

機械式Geared-Motor
為了縮小整體動力傳動模組的體積，進而提升功率密度，現行許多產品直接透過機構的整合設計，將馬達與齒輪建置於同一構件空間中，如圖2所示[3]，此類型動力模組由外觀上是無法直接分辨有無減速齒輪機構的存在，其功能為具有一個電氣輸入端口(Electrical Port)與一個機械輸出端口(Mechanical Port)，其傳動轉速比為固定，控制輸入電能以產生機械動能，達到負載端運作需求，本文將此類型裝置稱之為Geared-Motor動力模組。

圖2 常見的Geared-Motor動力模組[3]

磁性Geared-Motor
基本行星齒輪系(Fundamental Planetary Gear Train)具有三個主要構件，即太陽輪、行星臂及環齒輪，均為共軸(Coaxial Link)繞著主迴轉旋轉，如圖3中左圖所示之拓樸構造，係具有構造緊湊及傳動效率高之優點，常被採用作為Geared-Motor模組中的齒輪箱。近年國際上開始有相關的研究，利用同心式磁性齒輪的非接觸式設計架構，取代傳統的機械式齒輪箱[4]，圖3所示為機械式行星齒輪(a)與同心式磁性齒輪(b)的對照示意圖，磁性齒輪可改善機械齒輪嚙合所造成的磨耗、潤滑保養等問題。同心式磁性齒輪的架構是由不同磁極對數的內環與外環永久磁鐵轉子(Permanent Magnets rotor, PM rotor)、導磁性材料磁極塊片(Ferromagnetic Pole-piece)組成的調磁鐵芯(Modulating Rotor)及內、外層氣隙所構成。透過中層的調磁鐵芯，可耦合內外不同磁極對數的永久磁鐵磁場，產生內外轉子可相互帶動的轉動扭矩。
在基礎學理分析上，令圖3(b)之內環轉子的磁鐵磁極對數為n、外環轉子的磁極對數為p，中層調磁鐵芯的導磁極片數為q，則可得機構運動學表示式如下[5] :           

    (a)                                                                          (b)
圖3 機械式行星齒輪與同心式磁性齒輪之對照示意圖
 

 (1)
其中，Tinner和ωinner分別為內環轉子的扭矩和轉速；Touter和ωouter為外環轉子的扭矩和轉速；Tmod和ωmod則是中間層的調磁鐵芯的扭矩和轉速。以圖3(b)為例，可知n=5、p=22和q=27，若將調磁鐵芯固定(即轉速為0)，而將一動力馬達動力軸銜接於磁性齒輪的內環永磁轉子當輸入端，並以磁性齒輪的外環永磁轉子作為輸出端口，連接到工作的負載端，可達成非接觸式動力傳動。由式(1)可知，當ωmod=0及Tmod=0，此時傳動模組可提供固定比率的減速/增矩功能。如下所示           
 

     (2)
其中負號代表轉動方向剛好相反；反之，若將動力馬達動力軸銜接於外環的永磁轉子，而以內環高速端的永磁轉子做為動力輸出端口，則可提供固定比率的增速/減矩功能。